JP3447252B2 - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、気化した液体燃料
を触媒燃焼する触媒燃焼装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】火炎燃焼に比べて燃焼温度が低く無炎で
燃焼する触媒燃焼が知られている。触媒燃焼は、ＮＯｘ
などの燃焼排ガスの排出が少なく、また、希薄混合気の
燃焼が可能で、燃焼量の調整範囲が広く、放射熱量が大
きい等の様々なメリットを有している。このため、触媒
燃焼を温風あるいは赤外線を放出する暖房機器などに用
いることが検討されており、図３に示すような触媒燃焼
装置が考えられている。この触媒燃焼装置９０は、前方
にパネル状の触媒層２０が設けられており、この触媒層
２０の後方に、噴霧された液体燃料７１を気化する気化
室１２が配置されている。そして、気化室１２の後方に
は、液体燃料７０を噴霧する燃料噴霧部１３、気化室１
２に燃焼用の空気を送るブロワ１５が配置されている。

【０００３】この触媒燃焼装置９０では、触媒燃焼に先
立って、先ず、気化室１２内に液体燃料７０を噴霧し、
火炎燃焼させることにより、気化室１２および触媒層２
０を触媒燃焼が可能となる温度以上に予熱する。次に、
いったん火炎を消した後、気化室１２内に液体燃料を噴
霧する。気化室内においては、触媒燃焼の輻射熱７４に
より液体燃料が気化され、触媒層２０にて触媒燃焼が行
われる。その結果、触媒層２０の表面２１から赤外線７
３が放出される。したがって、気化用のヒータなどが不
要なので簡易な構成で触媒燃焼を安定して継続できる触
媒燃焼装置である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】触媒燃焼装置では、触
媒層の担持された触媒と気化した燃料および酸素が接触
して燃焼が行われる。したがって、熱出力を大きくする
ためには燃料との接触面積の広い触媒層あるいは触媒プ
レートが必要となる。すなわち、触媒層の面積は、熱負
荷に基づいて決まる。一方、気化室の断面積は燃料およ
び空気の流量あるいは流速を考慮して決められる。この
ため、気化室の断面積と触媒層の面積とは必ずしも一致
せず、通常は気化室として必要な断面積が小さくなり、
数倍程度、触媒層の方が広くなる。

【０００５】気化室の断面積を触媒層の面積と合わせて
設計することも可能であるが、同一の容積であっても気
化室の断面積を大きくして長さを短くすると気化が不十
分な状態で燃料が触媒層に供給されるといった弊害があ
る。したがって、気化室の断面積が大きいことは必ずし
も性能上良いことではなく、また、コンパクトな触媒燃
焼装置を低コストで供給しようとすると気化室の断面積
は触媒層の面積よりも小さくなる。このため、気化室か
ら触媒層にかけて短い距離で面積が急激に広がる形状の
触媒燃焼装置が要求される。

【０００６】しかしながら、気化室から触媒層にかけて
急激に面積が変化すると、気化した燃料と空気の混合ガ
スが触媒層の近傍で偏流したり、乱流により圧力が均一
にならなかったりなどの原因により、触媒層の中央部分
に多く、周辺部分に少なく偏って供給され、均一な燃焼
が得られ難い。したがって、触媒層の面積を広げても、
その面積が必ずしも有効に生かされることはなく、所望
の熱出力を得ることができない。

【０００７】触媒層と気化室の接続部での偏流を避ける
ために、図４に示す触媒燃焼装置８０のように、触媒層
２０と気化室１２の接続部８９をテーパ状に形成するこ
とが考えられている。接続部をテーパ状に徐々に広くす
ることにより偏流や乱流を避けるあるいは抑制すること
ができるので、燃料を均一に供給しやすくなる。しかし
ながら、テーパ状の接続部を耐熱性の金属、たとえばス
テンレススチールなどで成型するのは容易ではない。特
に、気化室１２は加工性を考えると円筒形が望ましく、
その一方で、触媒層２０は所定のサイズのセラミックプ
レートを縦横に配置して所望の接触面積を得る構造とな
るので全体が長方形などの四角形となることを考える
と、これらの形状の異なるものをテーパ状の接続部で繋
ぐ場合、接続部分の構造が複雑になり、性能的には優れ
ていても加工性の点において量産に向かず、コスト高に
なる。したがって、実際の触媒燃焼装置としては、その
ようなテーパ状の接続部を採用することは無理がある。

【０００８】そこで、本発明では、断面積の異なる気化
室と触媒層とをスムーズに繋ぎ、気化された燃料を触媒
層にほぼ均一に供給でき安定した燃焼が行えるととも
に、さらに量産も容易な構造の触媒燃焼装置を提供する
ことを目的としている。そして、用意された触媒層の面
積を有効に活用した触媒燃焼が行え、所望の熱出力を得
ることができる触媒燃焼装置を提供することを目的とし
ている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、気化した液体
燃料が触媒燃焼する触媒層と、この触媒層の輻射熱によ
り液体燃料を気化し、前方の触媒層に供給する気化室と
を有し、この触媒層の面積は気化室の断面積よりも大き
な本発明の触媒燃焼装置では、気化室から触媒層に向か
って多段状に広がった接続部を設け、気化室から触媒層
に向かって接続部の断面積を段階的に変化させることに
より加工性を維持しながら偏流を防止できるようにして
いる。

【００１０】本発明の触媒燃焼装置では、気化燃料と空
気の混合ガスが、気化室から触媒層に流れる際に、接続
部で一気に拡散するのではなく、階段状の接続部に応じ
て段階的に広がりながら流れる。したがって、混合ガス
の流れはスムーズになり、触媒層の周辺においても偏流
や乱流が生じにくい状態となる。このため、触媒層の周
辺でも圧力が加わり、混合ガスが均一に供給され、ほぼ
均一な燃焼が得られる。したがって、触媒層全体にわた
り均一で安定した触媒燃焼を行うことが可能となり、所
望の熱出力を得ることができる。また、混合ガスが均一
に供給されることで、触媒層の温度分布がほぼ均一にな
るので、触媒の寿命を長くできる。

【００１１】そして、気化室と触媒層との接続部をテー
パ状ではなく、階段状（多段状）にすることにより、深
絞り等の加工技術により接続部を容易に加工することが
できる。したがって、量産に適した構造となり、製造コ
ストを低減できる。また、本発明では、気化室と触媒層
との接続部をテーパ状ではなく、階段状（多段状）にす
ることにより、階段状の接続部の開口部側段部に、隙間
が発生しないように触媒層を取り付けることができる。

【００１２】さらに、触媒燃焼装置の気化室は耐圧およ
び加工性などの点から円筒形が望ましいのに対し、触媒
層は、前方に緩やかに突出した湾曲状にすることもある
が、基本的には四角形などの多角形が多い。特に、熱出
力を大きくするために複数のプレートを並べて構成する
触媒層は長方形あるいは正方形などの四角形が適してい
る。したがって、接続部は形状の異なる触媒層と気化室
とを接続する必要があり、本発明においては、接続部の
接続面をフランジにすることにより、形状の差を吸収で
きるようにしている。そして、断面が四角形で多段状に
なった接続部であれば、その接続面にフランジをつける
ことは容易である。したがって、加工性および作業性に
優れた接続部により形状の異なる気化室と触媒層とを接
続することができ、コンパクトで大出力の触媒燃焼装置
を低コストで提供することができる。

【００１３】さらに、触媒層に十分に気化された燃料が
供給できるように、接続部と気化室との間に触媒層に面
して多孔性の輻射板を挟み込むことが可能であり、さら
に、気化効率が高く、触媒燃焼が良好に行える触媒燃焼
装置を提供できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１に、本発明に係る触媒燃焼装
置の概略構成を断面図で示してある。本例の触媒燃焼装
置５は、灯油などの液体燃料７０を気化室１２で気化さ
せた後、触媒層２０で触媒燃焼させ、その触媒燃焼で発
生した赤外線７３を出力するものである。本例の触媒燃
焼装置５は、水平方向に延びた筒状のハウジング１０を
備えており、このハウジング１０の前方１０ａには、段
階状に広がった接続部３０が設けられており、この先端
が開口部（吹出し口）３１となっている。この開口部３
１には、略長方形状で、触媒燃焼用の触媒を担持したプ
レート状の触媒層２０が外界に面して配置され、赤外線
放射面２１を形成している。本例の触媒層２０は、セラ
ミック製の部材であり、例えば、アルミン酸石灰−溶解
シリカ−酸化チタンなどが用いられる。そして、このセ
ラミックが白金などの燃焼用の触媒の担体となり、所定
の温度で気化された燃料が酸素（空気）と共に供給され
ると触媒燃焼が行われる。また、本例の触媒層２０は、
段階状に広がった接続部３０の開口部３１側に、燃焼時
に３〜５倍程膨らむ熱膨張性ガスケット３８を介して高
温になっても隙間が発生しないように取付けられてい
る。

【００１５】触媒層２０の後方には、触媒層２０の輻射
熱７４により液体燃料７０を加熱気化する気化室（気化
筒）１２が設けられている。気化室１２は、ＳＵＳ４３
０およびアルミ含有のフェライト系などの耐熱性の材料
により外殻（シェル）１１が形成された中空のスペース
であり、さらに後方には、液体燃料７０を噴霧する燃料
噴霧部１３、燃焼用空気を供給するブロワ１５、および
ブロワ１５を駆動するブロワモータ１５ａが配置されて
いる。本例の燃料噴霧部１３は、バーナーとしての機能
も備えており、予熱するときはこのバーナー１３から噴
霧された液体燃料にイグナイター１４で点火し火炎７２
を形成して気化室１２、後述する輻射板４０および触媒
層２０を加熱する。一方、触媒燃焼中は、バーナー１３
から液体燃料を噴霧することにより、燃料を気化室１２
でガス化する。

【００１６】気化室１２には、さらに、触媒層２０に面
し、これとほぼ平行に対峙するように多孔性の輻射板４
０が接続部３０と気化室１２に挟まれた状態で配置され
ている。本例の輻射板４０は、多孔性のセラミック板、
あるいはパンチングメタルにセラミックが溶射された材
料などにより形成され、後方の面２２に面して配置され
ているために触媒層２０の輻射熱７４を直に受けて高温
になる。したがって、触媒燃焼が開始すると、気化室１
２の後方から供給される液体燃料７０と接触し、その気
化を促進する役割を担っている。

【００１７】さらに、本例の触媒燃焼装置５は、制御用
のセンサーとして、火炎センサー５０と、３つの温度セ
ンサー５１、５２および５３が設けられている。火炎セ
ンサー５０は、気化室１２の後方の燃料噴霧部１３の近
傍に設置され、気化室内の火炎７２を検出する。さら
に、温度センサー５１は気化室１２の室内温度を検出可
能なように気化室の壁１１に配置され、温度センサー５
２は輻射板４０の温度を検出可能なように設置され、さ
らに、温度センサー５３は触媒層２０の温度を検出可能
なように設置されている。これらのセンサー５０、５
１、５２および５３は、図１に破線で示すように、出力
が制御部５５に引き込まれており、予熱または燃焼状態
を監視および制御するために用いられる。

【００１８】図２に、本例の触媒燃焼装置５の触媒層２
０および気化室１２を繋ぐ接続部３０の構造を抜き出し
て示してある。図２（ａ）は、接続部３０を上方から見
た平面図であり、図２（ｂ）は、触媒層２０の側から見
た正面図であり、さらに、図２（ｃ）は側面図である。

【００１９】触媒燃焼装置５においては、触媒層２０の
面積Ｓは熱負荷に基づき決定され、一方、気化室１２の
サイズは、供給する液体燃料７０および空気量によって
決められることは上述した通りである。そして、これら
を考慮してできるだけコンパクトに纏めようとすると、
図２（ｂ）などからわかるように、触媒層２０の面積、
すなわち、接続部３０の前面の開口３１の面積は、気化
室１２の断面積、すなわち接続部３０の後方の開口３２
よりも大きくなる。そして、気化室１２は円筒形なの
で、触媒層２０を取り付ける開口３１が長方形であるの
に対し、気化室を取り付ける開口３２は円形となる。こ
のため、本例の触媒燃焼装置５においては、接続部３０
を気化室１２から触媒層２０に向かって多段状に広がっ
た形状とし、これらを接続している。

【００２０】さらに詳しく説明すると、本例の接続部３
０は、まず、気化室１２に接続される側が、中心に円形
の開口３２が形成された四角形の板状の面３４である。
そして、この面３４に開口３２の周囲に気化室１２と接
続するためのスタッドボルト６０が規則的に溶接され、
フランジ状の接続面３４となっている。したがって、気
化室１２の前方を、ボルトが通る穴があいたフランジ状
にしておくことにより、接続部３０を気化室１２に簡単
に取り付けることができる。スタッドボルトを溶接する
代わりに、ボルトが通る穴を開けておくことでも良い
が、スタッドボルトを溶接しておけば、触媒の側から手
を入れなくても接続部３０を気化室１２に取り付けるこ
とができる。また、触媒層２０を接続部ごと交換できる
など、メンテナンス性も向上する。

【００２１】開口３１および３２を連絡する接続部３０
の中間部３３は、気化室１２の側から触媒層２０に向か
って２段階に断面積が大きくなっている。したがって、
触媒層２０の背面２２と中間部分３３の背面２２に面し
た内面３５との軸方向の間隔は、中心部分（気化室側）
の段差部分の間隔Ｗ１が、周辺部分（触媒側）の段差部
分の間隔Ｗ２に対して広く、周辺になるにつれて狭くな
る。すなわち、触媒層２０の背面２２に沿った混合ガス
の流路を考えると、中心部で広く、触媒層の周辺部にな
るにつれて徐々に狭くなる。したがって、流路の面積が
急激に変動することがなく、テーパ状の接続部と同様に
周辺部になるに連れて狭くなる。このため、混合ガスの
流速と触媒にかかる内圧が均一になり、触媒に混合ガス
が均一に供給されるようになる。また、混合ガスが偏流
したり、乱流となって触媒層の背面の圧力が不均一にな
るような事態も防止できる。このように、本例の接続部
３０を採用することにより、気化された燃料と空気の混
合ガス７１が階段状の接続部３０でスムーズに拡散し触
媒層２０の周辺部２８でも、圧力が加わり、触媒に均等
に混合ガス７１が供給される。

【００２２】したがって、面積の異なる気化室１２と触
媒層２０とを接続する接続部３０において、気化室１２
の側の開口３２に比較して面積の大きな開口３１に取り
付けられた触媒層２０の全体に混合ガスをほぼ均一に配
分できるので、触媒層２０全体でほぼ均一な燃焼が得ら
れる。このため、大きな熱出力を得るための面積の大き
な触媒層（触媒プレート）２０を取り付けた触媒燃焼装
置において、その触媒プレートの面積を有効に活用する
ことが可能となり、コンパクトで出力の大きな触媒燃焼
装置を提供することができる。

【００２３】さらに、混合ガス７１が均一に供給される
ことで、触媒層２０の温度分布もほぼ均一になるので、
熱ストレスなども小さくなり触媒の寿命を長くできる。
さらに、触媒層２０の熱負荷がほぼ均等になることで、
放射面２１から放出される赤外線７３の分布も均等にな
る。そして、熱負荷が触媒層全体にわたり均等になるの
で、熱負荷を上げたときに触媒層の中心部の温度が上昇
して逆火するといった現象、また、触媒層の周辺部の温
度が下がって触媒燃焼が進まず、未燃焼分が排気される
といった現象も防止することができる。したがって、本
例の触媒燃焼装置５においては、低負荷から高負荷にわ
たる広い状況できわめて安定した触媒燃焼を行うことが
でき、燃焼制御の精度の高い触媒燃焼装置を提供でき
る。

【００２４】同時に、本例の接続部３０は、大きさの異
なる開口３１および３２を連結する中間部３３が階段状
（多段状）に面積を広げる設計になっているので加工が
容易であり、深絞りなどの塑性変形を伴う方法によって
簡単に量産することができる。さらに、フランジ構造３
４を採用することによりボルト６０を介して簡単に気化
室１２と触媒層２０とを接続することができる。そし
て、フランジ構造を含めても量産に適した形状の接続部
３０である。さらに、接続部３０と気化室１２との接続
部分をフランジ構造とすることにより、この位置に輻射
板４０を設置するのも容易となり、気化効率が高く、さ
らに安定した触媒燃焼が得られる触媒燃焼装置を提供で
きる。

【００２５】このように、本例の多段状の接続部３０を
採用することにより、面積の大きさの異なる気化室１２
と触媒層２０とを製造効率および作業効率良く、さら
に、上述したように燃焼性能が向上するように接続する
ことが可能となる。このため、触媒層全体にわたり均等
な燃焼が行える触媒燃焼装置を低コストで提供すること
が可能となる。この結果、本発明により、安全性が高
く、ＮＯｘなどの有害な排ガスが少なく、静かであるな
どの多くのメリットを備えた触媒燃焼を実際に一般の家
庭あるいは工場などの熱源として、さらに、高出力の暖
房器具などとして用いることが可能となる。

【００２６】なお、上述した接続部の形状は一例であ
り、多段にすることにより徐々に面積をひろげ、テーパ
状の接続部の性能的なメリットと、多段にすることによ
る量産性のメリットとを享受できるような設計であれば
良い。したがって、３段以上に徐々に面積を広げるよう
な接続部を採用することも可能であり、段数を増やすこ
とにより、気化室と触媒層の面積の比率がさらに大きい
触媒燃焼装置においても、触媒層全体にわたり均等に触
媒燃焼する燃焼装置を提供することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の触媒燃
焼装置は、断面積の異なる気化室と触媒層を、製造が容
易な段階状の接続部により繋げることで、気化燃料と空
気の混合ガスを触媒層の周辺部までスムーズに導けるよ
うにしている。したがって、本発明の触媒燃焼装置は量
産に適した形状でありながら、面積の大きな触媒層の全
体にわたりほぼ均一な燃焼が得られる。このため、本発
明により、触媒層全域にわたり低負荷から高負荷までさ
まざまな点で安定した燃焼を行うことができる触媒燃焼
装置を低コストで供給することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る触媒燃焼装置の概略構成を模式的
に示す図である。

【図２】図１に示す触媒燃焼装置の触媒層と気化室を繋
ぐ接続部の構造を示す図であり、図２（ａ）は上方から
見た平面図、図２（ｂ）は触媒層側から見た正面図、図
２（ｃ）は側面図である。

【図３】赤外線を放射する触媒燃焼装置の構成例を示す
断面図である。

【図４】触媒層と気化室の接続部分がテーパ状に形成さ
れた触媒燃焼装置の構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

５、８０、９０ 触媒燃焼装置 １０ ハウジング １０ａ ハウジング前方 １１ 気化室の壁 １２ 気化室 １３ 燃料噴霧部 １５ ブロワ ２０ 触媒層 ２１ 赤外線放射面 ２２ 背面 ３０ 接続部 ３１ 開口部（吹出側、触媒層側） ３２ 開口部（気化室側） ３３ 中間部（多段状の部分） ３４ フランジ状の接続面 ３３ 取付け孔 ３５ 内面 ３８ 熱膨張性ガスケット ４０ 輻射板 ５０ 火炎センサー

フロントページの続き (72)発明者 大沢 敏 長野県須坂市大字幸高246番地 オリオ ン機械株式会社内 (72)発明者 西野 敦 長野県須坂市大字幸高246番地 オリオ ン機械株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−153404（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−101023（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F23D 11/24 F23D 11/40 - 11/44

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気化した液体燃料が触媒燃焼する触媒層
   と、 この触媒層の輻射熱により液体燃料を気化し、前方の前
   記触媒層に供給する気化室と、 前記気化室から、当該気化室の断面積よりも大きな面積
   の前記触媒層に向かって多段状に広がった接続部とを有
   し、 前記接続部は、隙間が発生しないように前記触媒層が取
   り付けられている開口部側段部と、前記気化室に接続さ
   れているフランジ状の接続面とを備えていることを特徴
   とする 触媒燃焼装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記触媒層はほぼ四角形、前記気化室の断面はほぼ円形
   であることを特徴とする触媒燃焼装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記接続部
   と気化室との間に前記触媒層に面して配置された多孔性
   の輻射板が挟まれていることを特徴とする触媒燃焼装
   置。